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廃棄物発電（WtE）または廃棄物からのエネルギー生成（EfW ）とは、廃棄物発電プラントにおいて、廃棄物を電気や熱といった利用可能なエネルギー形態に変換するプロセスです。エネルギー回収の一形態として、WtEは埋立地の廃棄物量を削減し、代替エネルギー源を提供することで、廃棄物管理と持続可能なエネルギー生産の両方において重要な役割を果たしています。
廃棄物発電の最も一般的な方法は、廃棄物を直接燃焼させて熱を発生させる方法です[ 1 ]。この熱は蒸気タービンを介して発電に利用できます。この方法は多くの国で広く採用されており、廃棄物を処理しながらエネルギーを生成するという二重のメリットがあり、廃棄物削減とエネルギー生産の両方にとって効率的なプロセスとなっています。
燃焼に加えて、他の廃棄物発電技術は廃棄物を燃料源に変換することに重点を置いています。[ 2 ]例えば、ガス化と熱分解は、酸素のない状態で有機物を熱化学的に分解して、主に水素、一酸化炭素、および少量の二酸化炭素からなる合成ガスである合成ガスを生成するプロセスです。この合成ガスは、メタン、メタノール、エタノール、あるいは合成燃料に変換することができ、さまざまな工業プロセスや輸送における代替燃料として使用できます。
さらに、嫌気性消化という生物学的プロセスでは、微生物の働きによって有機廃棄物がバイオガス（主にメタンと二酸化炭素）に変換されます。このバイオガスはエネルギー生産に利用したり、天然ガスの代替燃料として利用できるバイオメタンに加工したりすることができます。
廃棄物発電（WtE）プロセスは、廃棄物を貴重な資源に変換し、化石燃料への依存度を低減し、温室効果ガスの排出量を削減することで、循環型経済の原則に貢献します。しかし、特にダイオキシンやフランなどのWtEプラントからの排出物が環境への影響を最小限に抑えるよう適切に管理することなど、課題は依然として残っています。これらの懸念に対処し、WtEが実行可能で環境に優しいソリューションであり続けるためには、高度な汚染防止技術が不可欠です。
廃棄物発電（WtE）技術は、持続可能な廃棄物管理を実現しつつ、世界のエネルギー需要を満たすための大きな可能性を秘めています。これらは、統合的な廃棄物管理戦略の不可欠な要素であり、再生可能エネルギーシステムへの移行を象徴するものです。技術の進歩に伴い、WtEは埋立地利用の削減とエネルギー安全保障の強化の両面において、ますます重要な役割を果たすようになるでしょう。
紀元前1000年頃の初期の歴史では、エルサレムで廃棄物の野焼きが行われており、灰は肥料として使用されていた。人間の居住地が拡大するにつれて、廃棄物の量を減らし、ネズミや病気と闘うために廃棄物を燃やすことが一般的になったが、エネルギー生産のためではなかった。[ 3 ]
廃棄物を燃やしてエネルギーを生産する最初の試みが行われたのは、19 世紀後半になってからのことでした。最初の焼却炉は1870 年頃にロンドンに建設されましたが、これは成功しませんでした。[ 3 ]数年後の 1874 年に、アルフレッド・フライヤーの設計により、マンラブ、アリオット & Co. Ltd.が英国ノッティンガムで「デストラクタ」を建設しました。 [ 4 ]米国初の焼却炉は 1885 年にニューヨーク州ニューヨーク市のガバナーズ島に建設されました。[ 5 ] 1903 年に、デンマーク初の廃棄物発電施設がコペンハーゲンのフレデリクスベアに建設されました。[ 6 ]チェコ共和国初の施設は1905 年にブルノに建設されました。[ 7 ] これらの初期の焼却炉は排出物の制御が不十分であったため、重金属、酸性ガス、有毒有機物による深刻な大気、土壌、水質汚染を引き起こしました。[ 3 ]
1970年代までに、健康と環境保護に対する国民の意識が高まり、廃棄物管理の包括的な見方が生まれました。大気汚染防止システムが開発され、有害物質の排出量を99%以上削減しました。このイノベーションの一環として、熱が直接暖房または発電に利用されました。[ 3 ]残余固体混合廃棄物の処理技術は、より効率的なエネルギー回収の探求によって刺激され、近年になってようやく注目を集めるようになりました。[ 8 ]
廃棄物などの有機物を燃焼させ、エネルギーを回収する焼却は、最も一般的な廃棄物発電（WtE）の実施方法です。OECD諸国で廃棄物（残余都市ごみ、商業廃棄物、産業廃棄物、またはRDF）を焼却するすべての新しいWtEプラントは、窒素酸化物（ NO x）、二酸化硫黄（SO 2）、重金属、ダイオキシンなどの厳しい排出基準を満たす必要があります。 [ 9 ] [ 10 ]したがって、現代の焼却プラントは、エネルギーも物質も回収しないものもあった古いタイプとは大きく異なります。現代の焼却炉は、組成と灰から金属などの物質を回収してリサイクルする程度に応じて、元の廃棄物の体積を95～96パーセント削減します。[ 6 ]
焼却炉は微粒子、重金属、微量のダイオキシン、酸性ガスを排出する可能性があるが、現代の焼却炉からのこれらの排出量は比較的少ない[ 11 ]。その他の懸念事項としては、残渣の適切な管理が挙げられる。有毒な飛灰は有害廃棄物処理施設で処理する必要があり、焼却炉底灰（IBA）は適切に再利用する必要がある[ 12 ] 。
批評家たちは、焼却炉は貴重な資源を破壊し、リサイクルのインセンティブを低下させる可能性があると主張している。[ 12 ]しかし、この問題は未解決のままであり、リサイクル率が最も高い（最大70％）ヨーロッパ諸国も埋め立てを避けるために焼却を行っている。[ 13 ]
焼却炉の電気効率は14～28%です。[ 12 ]残りのエネルギーを無駄にしないために、例えば地域暖房（コジェネレーション）に利用できます。コジェネレーション焼却炉の総合効率は、通常80%以上です（廃棄物の低位発熱量に基づく）。
都市固形廃棄物（MSW）を焼却して変換する方法は、比較的古い廃棄物発電方法です。焼却では一般的に、廃棄物（残余MSW、商業廃棄物、産業廃棄物、RDF）を燃焼させて水を沸騰させ、その蒸気で蒸気発生器を動かして電気エネルギーと熱を生成し、家庭、企業、施設、工場で利用します。関連する問題の一つは、ボイラーからの排ガスとともに汚染物質が大気中に放出される可能性があることです。これらの汚染物質は酸性である場合があり、1980年代には雨を酸性雨に変えることで環境悪化を引き起こすと報告されました。現代の焼却炉は、綿密に設計された一次燃焼室と二次燃焼室、そして可能な限り低い排出量で完全に燃焼するように設計された制御バーナーを備えており、場合によっては煙突上の石灰スクラバーや電気集塵機が不要になります。
煙を基本的な石灰スクラバーに通すことで、煙に含まれる可能性のある酸が中和され、酸が大気中に放出されて環境に害を与えるのを防ぎます。布フィルター、反応器、触媒などの他の多くの装置は、他の規制対象汚染物質を破壊または捕捉します。[ 14 ]ニューヨーク・タイムズによると、現代の焼却プラントは非常にクリーンであるため、「焼却よりも家庭の暖炉や裏庭のバーベキューから放出されるダイオキシンの方がはるかに多い」とのことです。[ 15 ]ドイツ環境省によると、「厳しい規制のため、廃棄物焼却プラントはダイオキシン、粉塵、重金属の排出という点ではもはや重要ではない」とのことです。[ 16 ]
他の廃棄物発電技術と比較すると、焼却は発電効率が高く、投資コストが低く、排出率も低いため、最も魅力的な技術であるように思われる。さらに、焼却は直接燃焼によって埋立地の廃棄物の山を減らす能力が最も高く、発電量も最も多い。[ 17 ]
プラスチックを燃料に変換するために使用されるプロセスの 1 つは熱分解であり、これは不活性雰囲気中で高温で物質を熱分解するものです。これは化学組成の変化を伴い、主に有機物の処理に使用されます。大規模生産では、プラスチック廃棄物を粉砕して溶融し、その後熱分解します。触媒コンバーターがこのプロセスを支援します。蒸気は油または燃料とともに凝縮され、沈殿タンクに蓄積され、ろ過されます。均質化後に燃料が得られ、自動車や機械に使用できます。これは一般的に熱燃料またはプラスチックからのエネルギーと呼ばれます。[ 18 ]
新しいプロセスでは、コバルトとゼオライトの2成分触媒を使用してプラスチックをプロパンに変換します。ポリエチレンとポリプロピレンに適用でき、プロパンの収率は約80%です。[ 19 ]
廃棄物やその他の燃料を直接燃焼させることなくエネルギーを生成できる、他にも多くの新しい技術や新興技術が存在します。これらの技術の多くは、直接燃焼よりも同じ量の燃料からより多くの電力を生成できる可能性を秘めています。これは主に、変換された燃料から腐食性成分（灰）を分離することで、ボイラー、ガスタービン、内燃機関、燃料電池などの燃焼温度を高くできるためです。一部の先進技術は、熱技術を組み合わせることで、実際の燃焼を行わずに、酸素のない状態で熱を利用して、原料中のエネルギーを液体または気体燃料に効率的に変換することができます。通常、原料は処理前に分離され、不要な成分が除去されるため、よりクリーンです。
熱処理技術には以下が含まれます。
非熱技術：
2001年から2007年の期間において、廃棄物発電能力は年間約400万トン増加した。
日本と中国はそれぞれ、固形廃棄物の直接溶融または流動床燃焼に基づくプラントを複数建設した。中国では2016年初頭時点で約434の廃棄物発電プラントが存在した。日本は年間4000万トンの都市固形廃棄物を熱処理しており、世界最大の都市固形廃棄物利用国である。
最新のプラントの中にはストーカー技術を使用しているものもあれば、高度な酸素富化技術を使用しているものもある。直接製錬、荏原流動化プロセス、サーモセレクトJFEガス化溶解技術プロセスなど、比較的新しいプロセスを使用している処理プラントが世界中にいくつか存在する。[ 21 ]
2014年6月現在、インドネシアには合計93.5MWの廃棄物発電設備容量があり、さまざまな準備段階にあるプロジェクトのパイプラインには、さらに373MWの容量が含まれています。[ 22 ]
インド初の廃棄物発電処理施設は、2012年1月にデリーのティマルプール・オクラ廃棄物管理会社（TOWMCL）によって設立されました。1日あたり2,000トンの固形廃棄物を処理し、16MWの再生可能エネルギーを生成します。[ 23 ]インド初のIGBCプラチナ認定ネットゼログリーン廃棄物発電キャンパスは、グジャラート州ジャムナガルにあり、アベロン・クリーン・エナジーによって設立され、INIデザインスタジオによって設計されました。この施設は、年間22万トンの都市固形廃棄物を処理し、7.5MWのクリーンエネルギーを生成します。この施設の設計では、処理中に人間がほとんど関与せず、処理プラント内部は透明な設計になっているため、学校や訪問者向けの教育拠点となっています。キャンパスは、敷地のわずか20%を施設に使用し、残りの80%はコミュニティ活動や交流に使用されています。[ 24 ] [ 25 ]
コロラド州デンバーのバイオ燃料エネルギーコーポレーションは、 2008年7月にネブラスカ州ウッドリバーとミネソタ州フェアモントに2つの新しいバイオ燃料工場を開設しました。これらの工場は蒸留を使用して自動車やその他のエンジンで使用するエタノールを製造しています。両工場は2013年にグリーンプレーンズに買収されました。 [ 26 ]フェアモント工場は2025年に閉鎖されましたが、[ 27 ] ウッドリバー工場は2025年第2四半期に99%の稼働率で稼働していると報告されました。[ 28 ]
2007年にカリフォルニア州プレザントンで創業したFulcrum BioEnergyは、廃棄物を持続可能な航空燃料（SAF）に変換するWtEプラントをネバダ州リノ近郊に建設した。 [ 29 ]このプラントは、Sierra BioFuelsという名称で2022年から2024年5月まで試運転中だった。Fulcrumは、このプラントが年間約20万トンの一般廃棄物から年間約1050万ガロンのフィッシャー・トロプシュ製品を生産すると予測していた。[ 30 ]輸出された製品の総量は、わずか350ガロンのシンクルードで、ジェット燃料に変換するためにマラソン・ペトロリアムの製油所に輸送された。[ 29 ] [ 31 ]このプラントには、硝酸の予期せぬ発生による損傷や、ガス化システムに最大10フィートの厚さのコンクリート状物質の堆積などの問題があった。[ 31 ] 2024年、Fulcrum BioEnergyは、工場の建設資金としてネバダ州商工省を通じて発行された2億9000万ドルの債券の債務不履行により、工場の操業を停止した。 [ 29 ] [ 32 ]
廃棄物発電技術には発酵が含まれており、バイオマスからエタノールを生成することができ、廃棄セルロースまたは有機材料を使用します。[ 20 ]発酵プロセスでは、廃棄物中の糖が二酸化炭素とアルコールに変換されます。これは、ワインを作るのに使用される一般的なプロセスと同じです。通常、発酵は空気のない状態で行われます。
エステル化は廃棄物発電技術を用いて行うことも可能であり、このプロセスの結果はバイオディーゼルである。エステル化の費用対効果は、使用する原料、および輸送距離、原料中の油分量などの他のすべての関連要因によって決まる。[ 33 ] ガス化と熱分解は現在、総熱変換効率（燃料からガスへ）が最大75%に達するが、燃料変換効率の点では完全燃焼の方が優れている。[ 8 ]熱分解プロセスの中には、外部熱源を必要とするものがあり、これはガス化プロセスによって供給される場合があり、複合プロセスが自己持続的になる。
熱を利用した廃棄物発電技術では、廃棄物中の炭素のほぼすべてが二酸化炭素（CO₂ ）として大気中に放出されます（熱分解やガス化による生成物の最終燃焼を含めた場合。ただし、肥料用のバイオ炭を製造する場合は除く）。都市固形廃棄物（MSW）には、 CO₂自体とほぼ同じ質量割合の炭素（27%）が含まれているため、1メトリックトン（1.1ショートトン）のMSWを処理すると、約1メトリックトン（1.1ショートトン）のCO₂が生成されます。
廃棄物が埋め立てられた場合、1 メトリック トン (1.1 ショート トン)の一般廃棄物から、廃棄物の生分解性部分の嫌気性分解により、約62 立方メートル (2,200立方フィート)のメタンが発生します。この量のメタンは、燃焼によって発生する1 メトリック トン (1.1 ショート トン)のCO 2の 2 倍以上の地球温暖化係数を持っています。一部の国では、大量の埋立地ガスが回収されています。しかし、埋立地ガスが大気中に放出されることによる地球温暖化係数は依然として存在します。たとえば、1999 年の米国では、埋立地ガスの排出量は、燃焼によって放出されるCO 2の量よりも約 32% 高くなっています。 [ 34 ]
さらに、生分解性廃棄物のほぼすべてはバイオマスです。つまり、生物由来の物質です。この物質は、通常、前回の生育期に植物が大気中の二酸化炭素を利用して生成したものです。これらの植物が再び成長すれば、燃焼によって放出された二酸化炭素は再び大気中から除去されます。
このような考慮事項が、いくつかの国が廃棄物のバイオマス部分を再生可能エネルギーとして管理する主な理由である。[ 35 ]残りの部分、主にプラスチックやその他の石油・ガス由来の製品は、一般的に非再生可能として扱われる。
プラスチック廃棄物発電システムからのCO2排出量は、炭素回収・貯留の貢献を考慮しても、発電量単位当たりで現在の化石燃料ベースの発電システムからの排出量よりも多い。プラスチック廃棄物を利用した発電は2050年までに大幅に増加するだろう。エネルギー回収プロセスでは炭素を分離する必要がある。そうしないと、プラスチック廃棄物のために地球温暖化対策が失敗に終わるだろう。[ 36 ]
都市固形廃棄物（MSW）の大部分は生物由来（バイオジェニック）であり、例えば紙、段ボール、木材、布、食品くずなどである。通常、MSWのエネルギー含有量の半分はバイオジェニック物質に由来する。[ 37 ]そのため、このエネルギーは廃棄物投入量に応じて再生可能エネルギーとして認識されることが多い。[ 38 ]
欧州の CEN 343 作業部会は、廃棄物由来燃料/ 固体再生燃料などの廃棄物燃料のバイオマス分率を決定するためにいくつかの方法を開発しました。最初に開発された 2 つの方法 (CEN/TS 15440) は、手動選別法と選択的溶解法でした。これら 2 つの方法の詳細な体系的比較が 2010 年に発表されました。[ 39 ]それぞれの方法にはバイオマス分率を適切に特性評価する上で限界があったため、2 つの代替方法が開発されました。
最初の方法は放射性炭素年代測定の原理を利用しています。炭素14法の概要をまとめた技術レビュー（CEN/TR 15591:2007）が2007年に発行されました。炭素年代測定法の技術規格（CEN/TS 15747:2008）は2008年に発行されました。米国では、ASTM D6866規格に基づき、既に同等の炭素14法が存在します。
2番目の方法（いわゆるバランス法）は、廃棄物発電プラントの材料組成と運転条件に関する既存のデータを使用し、数学統計モデルに基づいて最も可能性の高い結果を計算します。[ 40 ]現在、バランス法はオーストリアの3つの焼却炉とデンマークの8つの焼却炉に導入されています。
スイスの3つの実規模焼却炉で実施された両方法の比較では、両方法とも同じ結果になったことが示された。[ 41 ]
炭素14年代測定法は、廃棄物のバイオマス分率を精密に決定し、バイオマスの発熱量も決定することができます。発熱量の決定は、英国の再生可能エネルギー義務証明書プログラムなどのグリーン証明書プログラムにとって重要です。これらのプログラムは、バイオマスから生産されたエネルギーに基づいて証明書を授与します。英国の再生可能エネルギー協会が委託した研究論文を含むいくつかの研究論文が発表されており、炭素14の結果を使用してバイオマスの発熱量を計算する方法が示されています。英国のガスおよび電力市場規制当局であるOfgemは、2011年に、再生可能エネルギー義務の管理下で廃棄物原料のバイオマスエネルギー含有量を決定する方法として炭素14の使用を承認する声明を発表しました。[ 42 ]彼らの燃料測定およびサンプリング（FMS）質問票は、そのような提案を検討する際に彼らが求める情報を示しています。[ 43 ]
2019年に焼却炉代替案のためのグローバルアライアンス（GAIA）が委託し、ニュースクールのティッシュマン環境デザインセンターが作成した報告書によると、当時米国で稼働していた73の廃棄物発電施設の79%が低所得者層や「有色人種のコミュニティ」に位置していることが判明した。これは「白人で裕福なコミュニティが工業用地や有色人種をその境界から排除することを可能にした、歴史的な住宅、人種隔離、および排除的なゾーニング法」によるものである。 [ 44 ]ペンシルベニア州チェスターでは、地域団体が地元の廃棄物発電施設に積極的に反対しているが、カリフォルニア州ハンボルト州立大学環境資源工学科の助教授であるシンタナ・ベルガラ氏は、コミュニティの抵抗は汚染と、これらの施設の多くがコミュニティの意見を一切聞かず、コミュニティに何の利益ももたらさずにコミュニティに設置されているという事実の両方に基づいているとコメントした。[ 45 ]
他の国々では、高所得者層の多い地域であっても、廃棄物発電施設は住宅地のすぐ隣に設置されているが、大きな問題にはなっていない。その代表的な例の一つが、デンマークのコペンハーゲン中心部にあるアマガー・バッケである。
2019年の国連環境計画の報告書によると、ヨーロッパには589の廃棄物発電プラントがあり、米国には82のプラントがある。[ 46 ]
以下は、廃棄物発電プラントの例です。
現在、稼働中の工業用液体燃料製造ガス化プラントはないが、ヴァレンヌ（カナダ）とスウィンドン（英国）で2基が建設・試運転中である。
米空軍はかつてフロリダ州ハールバート・フィールドで可搬式プラズマ廃棄物発電システム（TPWES）施設（パイロジェネシス技術）の試験を行った。[ 49 ]建設費740万ドルのこの施設は[ 50 ] 、稼働開始から3年も経たない2013年5月に閉鎖され、政府の清算オークションで売却された。[ 51 ] [ 52 ]開始価格は25ドルだった。落札価格は非公開。
大規模なプラントの他に、家庭用廃棄物発電焼却炉も存在する。例えば、サレンヌ避難所には家庭用廃棄物発電プラントがある。これは、木質燃料ガス化ボイラーとスターリングモーターを組み合わせたものである。[ 53 ] [ 54 ]
レネルギ社は、西オーストラリア州コリーで、熱処理プロセスを用いて廃有機物を液体燃料に変換するシステムをスケールアップする予定です。このシステムは、1時間あたり1.5トンの有機物を処理し、年間4000トンの都市ごみを埋立地から転用し、さらに農業および林業から8000トンの有機廃棄物を調達します。レネルギ社の特許取得済み「粉砕熱分解」プロセスは、酸素が制限された環境で熱を加えることにより、有機物をバイオ炭、バイオガス、バイオオイルに変換することを目的としています。[ 55 ]
パースの南約45キロメートルに位置するロッキンガム工業地帯では、年間30万トンの都市ごみ、産業ごみ、商業ごみを原料として、4万世帯に電力を供給できる29MWの発電所が建設される予定である。この発電所は、南西相互接続システムに電力を供給するだけでなく、発電量のうち25MWはすでに電力購入契約に基づいて供給が約束されている。[ 56 ]
エチオピアのレピー廃棄物発電プラントは、アフリカで最初のそのようなプラントでした。このプラントは2018年に稼働を開始しました。[ 57 ]
ネバダ州商工省の広報担当者は、同州が債券の発行代行機関であるため、フルクラムとの取引による州への財政的リスクや影響はないことを確認した。
しかし、ここには 2 つの問題があると思います。1 つは、当然のことながら、焼却は、最高レベルの制御技術を使用しても、ある程度の大気汚染を引き起こすという事実です」とベルガラ氏は述べた。「しかし、2 番目の問題は、このような技術に対する一般の認識と受容だと思います。米国では、汚染物質を排出する発電所や廃棄物処理施設を、有色人種のコミュニティや低所得のコミュニティに設置してきた長い歴史があり、これらのコミュニティは、必ずしも利益を共有することなく、これらの施設のリスクを負っています。